JP7237716B2

JP7237716B2 - 粒子線照射装置及び粒子線照射プログラム

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Publication number: JP7237716B2
Application number: JP2019088065A
Authority: JP
Inventors: 大輔亀田; 暢一角谷; 亮平丹正; 康太水島; 卓司古川
Original assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2019-05-08
Filing date: 2019-05-08
Publication date: 2023-03-13
Anticipated expiration: 2039-05-08
Also published as: JP2020183894A

Description

本発明の実施形態は、常伝導コイルで構成される電磁石の制御技術に関する。

がん等の悪性腫瘍に対し、高い治療効果、少ない副作用、及び身体への負担軽減等の優れた特徴により、炭素や陽子等の荷電粒子線を用いた粒子線照射治療法が注目されている。この治療法によれば、加速器から出射された荷電粒子線でがん細胞を狙い撃ちし、正常細胞への影響を最小限にとどめ、がん細胞を死滅させることができる。

この治療法の一つの方式として、患部領域を三次元格子点で表し、各々の格子点に高精度で荷電粒子線を入射させるスキャニング照射方式が知られている。このスキャニング照射方式によれば、照射領域を患部領域に高精度に合致させることが可能になり、正常細胞への被曝を抑制することができる。

このスキャニング照射方式において照射領域を拡張する場合、スキャニング電磁石の起磁力を増強させる方法がある。この方法は電磁石コイルの電流値や巻き数が増大するため、電磁石コイルの発熱が大きくなる問題があった。発熱による電磁石コイルの損傷を防ぐため、従来は、電磁石コイルの温度をセンサで検出し、この検出値が閾値を超えたときにインターロックを発動させていた。

一方において、温度センサを用いずにコイル温度を推定する公知技術がある。この公知技術によれば、コイルの電気抵抗値が温度依存性を持つことに着目し、コイルに印加される電圧と電流との関係から電気抵抗値を求め、コイル温度を推定している。

特開２０１７－０２２５９１号公報特開２０１８－１４１７０８号公報

ところで、スキャニング電磁石の制御は、励磁電流の大幅な増減を伴うダイナミックなものであるために、電磁石コイルの発熱が急激になる場合がある。この場合、電磁石コイルの近傍に配置した温度センサの検出値は、電磁石コイルの実温度に対し、相当な応答遅れを持って追従することになる。

この場合、温度センサの検出値がインターロックの発動する閾値に到達したときには、既に電磁石コイルの実温度は閾値を優に超えてしまい、電磁石コイルが損傷に至るおそれがあった。

また、励磁電流をダイナミックに変化させるスキャニング電磁石では、電圧と電流の関係から電磁石コイルの正確な電気抵抗値を得るのは困難であった。このため、電磁石コイルの電気抵抗値を導いて、その実温度に反映させることは無理であった。

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、励磁電流がダイナミックに制御される場合であっても、コイルの発熱温度を正確に認識する電磁石の制御技術を提供することを目的とする。

実施形態に係る患部領域に表す三次元格子点の各々に入射させる荷電粒子線がスキャニングされるよう電磁石を制御する粒子線照射装置において、前記電磁石を含む複数の機器の制御シーケンスを記述したパターンデータに基づいて各々の前記機器の制御信号を出力する制御部と、前記制御信号を入力して前記電磁石のコイルに励磁電流を供給する電流供給部と、前記励磁電流の供給値の時系列データを受信するデータ受信部と、前記時系列データに基づいて前記コイルのコイル温度を演算する温度演算部と、を備え、前記コイル温度を監視する温度監視部は、前記コイル温度が第１閾値を超えたタイミングで、前記励磁電流の供給値を下げて前記制御シーケンスを一時停止させる指令を前記制御部に出力し、前記コイル温度が前記第１閾値を下回る第２閾値に到達したタイミングで、前記励磁電流の供給値を元に戻し、前記制御シーケンスを再開させる指令を前記制御部に出力し、前記コイル温度が第３閾値を超えたタイミングで、前記制御シーケンスを強制終了するインターロック機構部を発動させる指令を出力し、前記制御部は、前記インターロック機構部で中断したところから再構築した前記パターンデータに基づいて、前記制御シーケンスを新たに実行させることを特徴とする。

本発明の実施形態により、励磁電流がダイナミックに制御される場合であっても、コイルの発熱温度を正確に認識する電磁石の制御技術が提供される。

（Ａ）本発明の実施形態に係る電磁石の制御装置のブロック図、（Ｂ）本発明の実施形態に係る粒子線照射装置の概略図。実施形態に係る粒子線照射装置のスキャニング照射部の分解斜視図。（Ａ）電磁石のコイルに供給する励磁電流をスタティックに制御した場合のコイル温度の応答を示すグラフ、（Ｂ）電磁石のコイルに供給する励磁電流をダイナミックに制御した場合のコイル温度の応答を示すグラフ。（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）コイル温度が上昇した際の電磁石の制御装置に関連するデータのプロファイル。（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）インターロックが発動された際の電磁石の制御装置に関連するデータのプロファイル。実施形態に係る電磁石の制御方法及び制御プログラムのフローチャート。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１（Ａ）は本発明の実施形態に係る電磁石の制御装置１０（以下、単に「制御装置１０」という）のブロック図である。このように制御装置１０は、電磁石５２（図２）を含む複数の機器の制御を記述したパターンデータ１５に基づいて各々の機器の制御信号１６（１６ａ，１６ｂ…）を出力する制御部１７（１７ａ，１７ｂ…）と、制御信号１６ａを入力して電磁石５２のコイルに励磁電流２７を供給する電流供給部２５から供給値の時系列データ２８を受信するデータ受信部２９と、この時系列データ２８に基づいてコイルのコイル温度Ｔを演算する温度演算部２６と、を備えている。

さらに制御装置１０は温度監視部２１を備えている。この温度監視部２１は、コイル温度Ｔが第１閾値１１を超えたタイミングで励磁電流２７の供給値を下げる指令２１ａを制御部１７に出力する。そして温度監視部２１は、コイル温度Ｔが第１閾値１１を下回る第２閾値１２に到達したタイミングで励磁電流２７の供給値を元に戻す指令２１ｂを制御部１７に出力する。

図１（Ｂ）は本発明の実施形態に係る粒子線照射装置３０の概略図である。粒子線照射装置３０は、通過する荷電粒子線の外径を磁場の作用で収束させる収束電磁石３１と、通過する荷電粒子線の進行方向を磁場の作用で曲げる偏向電磁石３２と、加速器３３で生成した荷電粒子線を外部に輸送する輸送ライン３５と、この輸送ライン３５に接続し荷電粒子線３６を患者３７に照射する照射装置４３と、を備えている。

加速器３３は、シンクロトロン等であって、イオン発生源（図示略）で発生させたＣ⁶⁺等の荷電粒子を光速の７０～８０％程度まで加速して生成した荷電粒子線を、出射デフレクタ３４から輸送ライン３５に出射させる。荷電粒子線３６は、患者の体内を通過する際に運動エネルギーを失って速度を低下させるとともに、速度の二乗にほぼ反比例する抵抗を受けてある一定の速度まで低下すると急激に停止する。そして、荷電粒子線３６の停止点近傍では、ブラッグピークと呼ばれる高エネルギーが放出される。粒子線治療技術は、このブラッグピークを患者の患部に合わせることにより、正常な組織の障害を少なくしつつ治療を行うものである。

照射装置４３は、内部に治療スペース４１を有し回転軸４２を中心に回転変位し、回転軸４２に沿って進入した荷電粒子線を半径方向に進路変更させる回転輸送系４５と、この回転輸送系４５から出力された荷電粒子線３６を患者３７にスキャニング照射する照射部５０と、患者３７を載置したベッド３８と、を備えている。なお、本実施形態においてガントリ式の照射装置４３が配置された場合を例示しているが、固定式の治療装置に代えて配置することもできる。

図２は、実施形態に係る粒子線照射装置３０（図１（Ｂ））のスキャニング照射部５０の分解斜視図である。このように照射部５０は、荷電粒子線３６をＸ方向に偏向させるＸ偏向電磁石５２ｘ（５２）と、この荷電粒子線３６をＹ方向に偏向させるＹ偏向電磁石５２ｙ（５２）と、この荷電粒子線３６の線量を検出する線量検出部５３と、荷電粒子線３６の照射位置を検出するビーム位置検出部５４から構成される。

このように構成される照射部５０は、患者３７（図１（Ｂ））の患部領域６０の各スライス面６１，６２，６３に設定されたスポット（１～Ｎ）に対して、荷電粒子線３６の軌道を制御して順番に入射させる。各々の第ｎスポットは、荷電粒子線３６のブラッグピークの位置になるように設定される。

そして、スキャニング照射では、患者毎の治療計画に基づいて、治療装置の電磁石を含む多数の機器の動作を制御するためのパターンデータ１５（図１）が構築される。このパターンデータ１５には、例えば、スライス位置（Ｚ位置）を与える荷電粒子線の運動エネルギー情報、Ｘ－Ｙ位置を与えるＸ用電磁石やＹ用電磁石のコイル励磁電流値、線量を与える線量モニタのカウント値等が、前記した格子点毎に照射順に規定した記述が含まれる。さらに回転ガントリ方式が組み合わされる場合、これらにガントリの角度等を規定した情報が含まれる。そして、このようなパターンデータ１５は、治療開始の直前に照射装置の制御メモリに格納され、これに基づき多数の機器の設定が行われることになる。

図３（Ａ）は電磁石５２のコイルに供給する励磁電流Ｉ(ｔ)をスタティックに制御した場合のコイル温度Ｔの応答を示すグラフである。図３（Ｂ）は電磁石５２のコイルに供給する励磁電流Ｉ(ｔ)をダイナミックに制御した場合のコイル温度Ｔの応答を示すグラフである。

図３（Ａ）に示すように、コイルに付与される励磁電流Ｉ(ｔ)に対するコイル温度Ｔの応答は、一次遅れ系の応答特性を示している。このため、コイル温度Ｔの昇温時の時定数τ₁及び降温時の時定数τ₂を実験的もしくは解析的に求めることができる。

そしてこの昇温時の時定数τ₁及び降温時の時定数τ₂をパラメータとする関数を作成し、図３（Ｂ）に示すような、ダイナミックに変化する励磁電流Ｉ(ｔ)の入力に対するコイル温度Ｔの応答を演算することができる。

温度演算部２６（図１）は、励磁電流Ｉ(ｔ)をコイル温度Ｔに変換する関数を保持している。そして温度演算部２６は、データ受信部２９を介して電流供給部２５から励磁電流Ｉ(ｔ)の時系列データ２８を取得し、関数に入力してコイル温度Ｔを演算する。そして、温度演算部２６で演算されたコイル温度Ｔは、温度監視部２１に送信され、閾値１１，１２，１３と対比される。

図３（Ｂ）の数式（１）及び数式（２）を、温度演算部２６に保持される関数の例として示す。ここで、T(ｔ)は時間ｔにおけるコイル温度を示し、ΔT(I_crrnt)はコイルに電流I_crrntを通電したときのコイル温度の基準温度からの上昇量を示し、ｄｔは計算周期（サンプリング間隔）を示している。そしてａ，ｂ，ｃは定数を示している。数式（２）において、ａ・Ｉ²の項は、通電によるコイルの発熱量を示し、ｂ・Ｔ(ｔ－ｄｔ)はコイルから周辺への放熱量を示している。

制御部１７（図１（Ａ））は、図１（Ｂ）に示すようなシステムを構成する機器をそれぞれ独立に制御する制御信号１６（１６ａ，１６ｂ…）を送信する電磁石制御部１７ａ及び機器制御部１７ｂ…の集合体である。そしてパターンデータ１５は、粒子線照射装置３０を動作させるに当たり、これら複数の機器の制御シーケンスを記述したもので、主な対象は加速器３３とビームの輸送ライン３５と回転輸送系４５と照射部５０である。

コイル温度Ｔが第１閾値１１を超過すると、制御部１７が電流値を下げる指令２１ａを受信する。すると、電磁石制御部１７ａが、電磁石５２の電流値を一時的に下げる制御信号１６ａを電流供給部２５に送る。このとき、機器制御部１７ｂは照射を一時的に止める制御信号１６ｂをビーム出射に関連する機器（出射デフレクタ３４等）に送り、照射を一時的に停止する。

その結果、コイル温度Ｔが下がり、第１閾値１１よりも低温に設定した第２閾値１２に到達すると、温度監視部２１が電流値を元に戻す指令２１ｂを制御部１７に送信する。制御部１７が指令２１ｂを受信すると、電磁石制御部１７ａが電磁石５２の電流値を元に戻す制御信号１６ａを電流供給部２５に送る。さらに機器制御部１７ｂが、照射を再開する制御信号１６ｂを、ビーム出射に関連する機器に送る。これにより、患者３７に対する荷電粒子線３６のビーム照射が再開される。

さらに、この温度監視部２１は、コイル温度Ｔが第１閾値１１を上回る第３閾値１３を超えたタイミングで、インターロック機構部２３を発動させる指令２１ｃを出力する。これにより、粒子線照射装置３０は、インターロックにより強制的にシャットダウンされる。

なお実施形態において、コイル温度Ｔの演算を行う対象として、スキャニング照射部５０に組み込まれた電磁石５２を例示しているが、粒子線照射装置３０において荷電粒子線の軌道を制御するその他の電磁石も対象である。また制御装置１０の適用は、特に粒子線照射装置３０に限定されることはなく、パターンデータ１５に基づいて制御される電磁石を有するものであれば対象となる。

図４はコイル温度Ｔが上昇した際の電磁石の制御装置１０に関連するデータのプロファイルである。図４（Ａ）に示すように、温度演算部２６で演算されたコイル温度Ｔが上昇し、タイミングｔ１で第１閾値１１に到達したとする。すると、図４（Ｂ）に示すようにスキャン走査されていた励磁電流値もパターンデータの電流値よりも小さな値をとる。

これにより図４（Ａ）に示すように、コイル温度Ｔも下降に転じ、第１閾値１１を下回って第２閾値１２に到達するか又は所定時間Ｐが経過したタイミングｔ２において、図４（Ｂ）に示すように励磁電流値のスキャンも再開される。

なお電磁石５２に対する励磁電流値の制御が一時停止するのと併せて、図４（Ｃ）に示すように、荷電粒子線３６のビーム照射も一時停止する。そして、この励磁電流値の制御の再開と併せて、ビーム照射も再開される。

なお図４（Ｄ）に示すように、温度監視部２１の指令により電磁石５２及びその他の機器の状態が一時的に変化しても、その他の機器の制御シーケンスはパターンデータに従って保持されている。このため、タイミングｔ２におけるビーム照射の再開を即座に行うことができる。

図５はインターロックが発動された際の電磁石の制御装置１０に関連するデータのプロファイルである。この実施例は、インターロック機構部２３（図１）のみが装備され、第１閾値１１及び第２閾値１２による停止／再開の操作を実施しない場合を示したものである。

図５（Ａ）に示すように、温度演算部２６で演算されたコイル温度Ｔが上昇し、タイミングｔ３でインターロックが作動する第３閾値１３に到達したとする。するとインターロック機構部２３により、図５（Ｂ）（Ｃ）に示すように電磁石５２における励磁電流値の制御及び荷電粒子線３６の治療照射が強制終了される。

さらに図５（Ｄ）に示すように、他の機器に関する制御信号１６（１６ａ，１６ｂ…）も強制終了される。その結果、コイル温度Ｔが低下しても、ビーム照射の再開を即座に行うことができない。インターロックが発動した場合、ビーム照射を再開するには、インターロックで中断したところから照射シーケンスを開始するためのパターンデータ１５を再構築する必要がある。

図６のフローチャートに基づいて実施形態に係る電磁石の制御方法及び制御プログラムを説明する（適宜、図１から図５を参照）。まず患者３７（図１）を治療室に入室させた後（Ｓ１１）、この患者３７をベッド３８に載置して移動調整部３９により移動させ位置調整を行う（Ｓ１２）。さらに、複数の機器の制御を記述したパターンデータ１５の読み込みを行う（Ｓ１３）。

そして、患者３７にビーム照射を実施する上で安全を確保するのに必要な起動条件（インターロック解除条件）が成立していることの確認がなされる（Ｓ１４ＮｏＹｅｓ）。荷電粒子線３６の照射を開始する手動ボタンが押されると（Ｓ１５）、システムを構成する各々の機器に制御信号１６（１６ａ，１６ｂ…）が送信され、同時に温度演算部２６で演算されたコイル温度Ｔが取得される。

このコイル温度Ｔが第１閾値１１を超過すると（Ｓ１６Ｎｏ，Ｓ１９Ｙｅｓ）、電磁石５２の電流値が下がり照射が一時停止する（Ｓ２０）。そして、この電磁石５２が冷却されてコイル温度Ｔが第１閾値１１を下回る第２閾値１２に到達したタイミングで（Ｓ２１ＮｏＹｅｓ）、電磁石５２の電流値が元に戻されビーム照射が再開する（Ｓ２２）。

そして、コイル温度Ｔが第３閾値１３を超過しない限りにおいて（Ｓ１６Ｎｏ）、（Ｓ１９ＮｏＹｅｓ）～（Ｓ２２）までのフローが繰り返され（Ｓ２３Ｎｏ）、パターンデータ１５が最後まで実行されたところで（Ｓ２３Ｙｅｓ）、ビーム照射の一連の制御シーケンスが終了する（ＥＮＤ）。

なお、一連の制御シーケンスが終了（ＥＮＤ）する前に、第３閾値１３を超過した場合は（Ｓ１６Ｙｅｓ）、インターロックが作動し、ビーム照射が強制終了される（Ｓ１７）。このように、インターロックが作動した場合は、インターロックで中止した後の照射シーケンスを実行するためのパターンデータ１５を再構築し（Ｓ１８）、この再構築したパターンデータ１５を再読み込みして機器を再起動するところから再開する（Ｓ１３）。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の電磁石の制御装置によれば、励磁電流の時系列データからコイル温度を演算することにより、励磁電流がダイナミックに制御される場合であっても、コイルの発熱温度を正確に認識することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

以上説明した電磁石の制御装置１０は、専用のチップ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、又はＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサを高集積化させた制御装置と、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶装置と、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）などの外部記憶装置と、ディスプレイなどの表示装置と、マウスやキーボードなどの入力装置と、通信Ｉ／Ｆとを、備えており、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成で実現できる。また、電磁石の制御装置の構成要素は、コンピュータのプロセッサで実現することも可能であり、電磁石の制御プログラムにより動作させることが可能である。

また電磁石の制御装置１０で実行されるプログラムは、ＲＯＭ等に予め組み込んで提供される。もしくは、このプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ－ＲＯＭ、ＣＤ－Ｒ、メモリカード、ＤＶＤ、フレキシブルディスク（ＦＤ）等のコンピュータで読み取り可能な記憶媒体に記憶されて提供するようにしてもよい。

１０…電磁石の制御装置、１１…第１閾値、１２…第２閾値、１３…第３閾値、１５…パターンデータ、１６（１６ａ，１６ｂ）…制御信号、１７ａ（１７）…電磁石制御部（制御部）、１７ｂ（１７）…機器制御部（制御部）、２１…温度監視部、２１ａ，２１ｂ，２１ｃ…指令、２３…インターロック機構部、２５…電流供給部、２６…温度演算部、２７…励磁電流、２８…時系列データ、２９…データ受信部、３０…粒子線照射装置、３１…収束電磁石、３２…偏向電磁石、３３…加速器、３４…出射デフレクタ、３５…輸送ライン、３６…荷電粒子線、３７…患者、３８…ベッド、３９…移動調整部、４１…治療スペース、４２…回転軸、４３…照射装置、４５…回転輸送系、５０…スキャニング照射部（照射部）、５２ｘ（５２）…Ｘ偏向電磁石、５２ｙ（５２）…Ｙ偏向電磁石、５３…線量検出部、５４…ビーム位置検出部、６０…患部領域、６１，６２，６３…各スライス面。

Claims

患部領域に表す三次元格子点の各々に入射させる荷電粒子線がスキャニングされるよう電磁石を制御する粒子線照射装置において、
前記電磁石を含む複数の機器の制御シーケンスを記述したパターンデータに基づいて、各々の前記機器の制御信号を出力する制御部と、
前記制御信号を入力して前記電磁石のコイルに励磁電流を供給する電流供給部と、
前記励磁電流の供給値の時系列データを受信するデータ受信部と、
前記時系列データに基づいて、前記コイルのコイル温度を演算する温度演算部と、を備え、
前記コイル温度を監視する温度監視部は、
前記コイル温度が第１閾値を超えたタイミングで、前記励磁電流の供給値を下げて前記制御シーケンスを一時停止させる指令を前記制御部に出力し、
前記コイル温度が前記第１閾値を下回る第２閾値に到達したタイミングで、前記励磁電流の供給値を元に戻し、前記制御シーケンスを再開させる指令を前記制御部に出力し、
前記コイル温度が第３閾値を超えたタイミングで、前記制御シーケンスを強制終了するインターロック機構部を発動させる指令を出力し、
前記制御部は、前記インターロック機構部で中断したところから再構築した前記パターンデータに基づいて、前記制御シーケンスを新たに実行させる粒子線照射装置。
患部領域に表す三次元格子点の各々に入射させる荷電粒子線がスキャニングされるよう電磁石を制御する粒子線照射プログラムにおいて、
コンピュータに、
前記電磁石を含む複数の機器の制御シーケンスを記述したパターンデータに基づいて、各々の前記機器の制御信号を出力するステップ、
前記制御信号を入力して前記電磁石のコイルに励磁電流を供給するステップ、
前記励磁電流の供給値の時系列データを受信するステップ、
前記時系列データに基づいて、前記コイルのコイル温度を演算するステップ、
監視する前記コイル温度が第１閾値を超えたタイミングで、前記励磁電流の供給値を下げて前記制御シーケンスを一時停止させる指令を出力するステップ、
前記コイル温度が前記第１閾値を下回る第２閾値に到達したタイミングで、前記励磁電流の供給値を元に戻し、前記制御シーケンスを再開させる指令を出力するステップ、
前記コイル温度が第３閾値を超えたタイミングで、前記制御シーケンスを強制終了するインターロック機構部を発動させる指令を出力するステップ、
前記インターロック機構部で中断したところから再構築した前記パターンデータに基づいて、前記制御シーケンスを新たに実行させるステップ、を実行させる粒子線照射プログラム。